New graphene-based composite materials

Resumen

TESIS EN COTUTELA CON LA UNIVERSIDAD DE TRIESTE New Graphene-based Composite Materials Introducción La ciencia de los materiales es una disciplina en continua evolución ya que las aplicaciones, que pueden beneficiarse de los nuevos compuestos sintéticos, son cada vez más amplias y variadas. La evolución de los polímeros desde principios del siglo XIX ha impulsado en gran medida la investigación en este campo y los últimos avances han proporcionado numerosas ventajas, incluso en el campo de la nanomedicina. De hecho, la preparación de materiales compuestos ha incluido en los últimos años sistemas en los que, al menos una de las fases, es de escala nanométrica, también conocidos como nanomateriales. Entre todos ellos, el grafeno, material bidimensional con una estructura consistente en una lámina de átomos de carbono unidos entre sí y con hibridación sp2, posee propiedades únicas. La incorporación de grafeno en materiales poliméricos crea nuevas posibilidades con respecto al uso de estos nuevos compuestos en campos de aplicación mucho más amplios (desde sensores hasta aplicaciones biológicas). En este contexto, el objetivo de esta tesis es el diseño de nuevos materiales compuestos basados en grafeno, con distintas aplicaciones que dependen de las propiedades finales del sistema. Contenido de la investigación El Capítulo 1 proporciona una revisión general de los materiales compuestos, describiendo, principalmente, algunos conceptos importantes relativos a los hidrogeles, las redes poliméricas interpenetradas (IPNs), y por supuesto al grafeno. Se discute la dificultad de preparar dispersiones de grafeno en polímeros o disolventes (especialmente agua), profundizando en los pocos ejemplos bibliográficos en los que se describen hidrogeles basados en grafeno. El Capítulo 2 detalla la síntesis, caracterización y diferentes aplicaciones de hidrogeles compuestos basados en grafeno, utilizando la acrilamida como monómero principal. Además, se estudia el papel que juega el nanomaterial como agente entrecruzante en la red polimérica. Los compuestos finales muestran excelentes propiedades mecánicas, lo que les señala como buenos candidatos para prótesis en discos intervertebrales. También podrían aplicarse en trasplantes del núcleo pulposo, ya que han sido probados satisfactoriamente como andamios tridimensionales para el crecimiento de células 3T3. Por otro lado, se ha demostrado que estos compuestos responden a un estímulo microondas, deshinchándose, lo que hace posible su aplicación como posibles sistemas para liberación controlada de fármacos. Finalmente, en este capítulo se describe el efecto piezoresistivo que aparece gracias a la presencia de grafeno en la red de hidrogel. En este sentido, se observan cambios en las resistividades del material con respecto a un estímulo mecánico, obteniéndose resultados excelentes de los valores de “gauge factor”. Este hecho hace posible la aplicación de estos sistemas como sensores de tensión. En el Capítulo 3 se presentan nuevos sistemas nanoestructurados para la regeneración de redes neuronales. Varios sistemas bidimensionales y tridimensionales son usados para el crecimiento de neuronas. La adición de grafeno a sustratos bidimensionales, previamente cubiertos con nanotubos de pared simple, no produce una mejora notable en la actividad neuronal, obteniéndose, por ejemplo, valores similares de capacitancia de membrana con respecto al sustrato cubierto únicamente por los nanotubos. En un segundo paso, la actividad neuronal es estudiada en estructuras tridimensionales basadas en grafeno. El resultado más importante de este estudio es que las neuronas crecen únicamente en el hidrogel formado en presencia de grafeno, y no en el hidrogel carente de nanomaterial. Por lo tanto, podríamos confirmar que el grafeno juega un papel notable en el crecimiento neuronal. Finalmente, en el cuarto capítulo se describen nuevos hidrogeles compuestos con capacidad autónoma de auto-reparación. Se estudian dos tipos diferentes de materiales. La primera clase son semi-IPNs de poli(ácido metacrílico) (pMAAc) y poli(vinil alcohol) (PVA). En primer lugar se sintetizan y caracterizan los materiales en presencia y en ausencia de grafeno, para sucesivamente analizar su capacidad de auto-sanación. Los materiales sintetizados no solo muestran comportamiento electromecánico, sino también una auto-reparación casi completa. El segundo tipo de materiales son preparados a partir de MAAc en combinación con un monómero diferente: cloruro de [2-(acriloiloxi)etil]trimetilamonio. La capacidad de reparación es estudiada y se observan diferencias dependiendo del modo en el que se prepara el material y de la presencia o no de grafeno. En este caso, la capacidad de auto-reparación está basada en interacciones iónicas, ya que los materiales compuestos están basados en polielectrolitos cargados opuestamente. Todos los materiales demuestran buenas propiedades de reparación, incluso las preparadas con grafeno, destacando una de las semi-IPNs formadas, en la que se consigue una eficiencia de auto-reparación de casi el 100%. Conclusiones Durante el desarrollo de la tesis se han diseñado, sintetizado y caracterizado nuevos compuestos basados en grafeno, no solo materiales poliméricos como son los hidrogeles, sino también sistemas bidimensionales despendiendo de la aplicación deseada. Así, tal y como se ha comentado detalladamente en el apartado anterior, estos nuevos materiales han sido probados en distintos campos, como por ejemplo la liberación controlada de fármacos o la reparación de las redes neuronales. Bibliografía • Jagur-Grodzinski, J. Polymeric Gels and Hydrogels for Biomedical and Pharmaceutical Applications. Polym. Adv. Technol. 2010, 21, 27–47. • Merino, S.; Martín, C.; Kostarelos, K.; Prato, M.; Vázquez, E. Nanocomposite Hydrogels: 3D Polymer–Nanoparticle Synergies for On-Demand Drug Delivery. ACS Nano 2015, 9, 4686–4697. • Servant, A.; Leon, V.; Jasim, D.; Methven, L.; Limousin, P.; Vazquez Fernandez- Pacheco, E.; Prato, M.; Kostarelos, K. Graphene-Based Electroresponsive Scaffolds as Polymeric Implants for on-Demand Drug Delivery. Adv. Healthc. Mater. 2014, 3, 1334– 1343. • Boland, C. S.; Khan, U.; Backes, C.; Neill, A. O.; Mccauley, J.; Duane, S.; Shanker, R.; Liu, Y.; Jurewicz, I.; Dalton, A. B.; et al. 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